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土壤水流通量测量仪的关键技术研究

作　者: 宋建远
导　师: 马孝义
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 农业电气化与自动化
关键词: 土壤水流通量 热脉冲 温度传感器 实时监测
分类号: S24
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


土壤水流通量决定着土壤中入渗、径流和化学物质的迁移过程,是分析研究土壤热性质的基本参数。土壤学家、环境学家以及农学专家都希望知道具体某一地点的水流通量,但是水流通量随环境差异在空间和时间上变化很大,很难通过模拟的方法去确定。因此,寻求确定水流通量的直接测量方法显得更具吸引力。本论文通过一定的理论、确定方法研究,旨在研制一款基于热脉冲技术的土壤水流通量测量仪实现对任一地点的土壤水流通量的实时监测。论文在综合国内外各种热脉冲技术下测量土壤水流通量的方法基础之上,提出土壤水流通量测量仪的设计方案,并在实验室环境下搭建系统实验平台。仪器以数据采集器CR800为控制测量模块,用其控制外围电路,确保测量通道按时切换,准确发出热脉冲信号,实时采集温度传感器的电压变化,监测热脉信号在土壤内部热传递过程,自动提取过程特征值并存储,经计算机下载后进行离线分析,计算土壤的实时水流通量。论文取得的成果如下:(1)研究并剖析了目前国内外利用热脉冲技术测量土壤水流通量的现状以及理论基础,确定了本文仪器的研制思路;(2)提出了土壤水流通量测量仪的设计方案,阐释了数据采集单元设计中针对CR800的选择原则以及温度传感器单元设计中核心器件的选型依据;(3)根据设计方案,硬件部分自主设计了土壤水流通量测量仪中信号测量单元和热脉冲控制单元电路,并成功生成PCB电路将其生产,在实验室条件下完成电路板的焊接调试;软件部分合理编写了相关程序,通过软件调试,实现了在干扰状况下,对热脉冲峰值出现时刻的准确识别和测量数据自动提取;(4)对软硬件进行了集成,室内条件下完成了整套实验装置的组装,编写了详细的实验步骤,并对实验数据进行了大量的分析。实验结果表明本文研制的基于热脉冲原理的土壤水流通量测量仪工作可靠、测量准确,可用于土壤水流通量的实时监测,对研究土壤热性质具有较大的应用价值。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第一章 绪论  9-13
  1.1 研究背景与意义  9
  1.2 国内外研究进展  9-11
    1.2.1 热脉冲技术研究现状  9-10
    1.2.2 热脉冲技术在测定土壤水流通量领域的研究进展  10-11
  1.3 本文研究的目标和主要内容  11-13
    1.3.1 研究目标  11-12
    1.3.2 主要内容  12-13
第二章 土壤水流通量测量仪方案设计  13-21
  2.1 土壤水流通量仪设计的理论基础  13-15
    2.1.1 MDTD 法求水流通量  14
    2.1.2 上下游温度上升比率法求水流通量  14-15
    2.1.3 上下游温度峰值法求水流通量  15
  2.2 土壤水流通量测量仪的工作原理  15-19
    2.2.1 测量系统的工作原理  15-16
    2.2.2 测量系统的工作流程  16-17
    2.2.3 实验参数的标定  17-19
  2.3 土壤水流通量测量仪的总体设计  19-21
    2.3.1 土壤水流通量测量仪的主要组成部分  19-20
    2.3.2 测量系统的硬件设计  20
    2.3.3 测量系统的软件设计  20-21
第三章 数据采集单元关键技术研究  21-27
  3.1 数据采集器的选择原则  21-22
    3.1.1 数据采集器的软件要求  21
    3.1.2 数据采集器的硬件要求  21-22
  3.2 CR800 的特点  22-27
    3.2.1 CR800 的硬件结构  22-25
    3.2.2 CR800 的软件编程  25-27
第四章 土壤水流通量测量仪各测控单元的设计  27-49
  4.1 温度传感器单元设计  27-29
    4.1.1 热电偶型传感器性能分析  27
    4.1.2 热敏电阻型传感器性能分析  27-29
    4.1.3 温度传感器设计  29
  4.2 系统电源单元设计  29-31
  4.3 信号测量单元设计  31-36
    4.3.1 信号采集通道测量电路  32-34
    4.3.2 信号采集通道选通电路  34-36
  4.4 热脉冲控制单元设计  36-40
    4.4.1 加热通道电路  36-39
    4.4.2 加热通道选通信号电路  39-40
  4.5 信号放大单元设计  40-46
    4.5.1 硬件电路设计  40-43
    4.5.2 软件程序设计  43-46
  4.6 指示单元设计  46-47
  4.7 系统的软硬件集成  47-49
    4.7.1 系统软件集成  47
    4.7.2 系统硬件集成  47-49
第五章 土壤水流通量测量仪的实验与分析  49-53
  5.1 实验步骤  49-50
  5.2 实验条件  50
  5.3 实验数据分析  50-53
第六章 结论与展望  53-54
  6.1 结论  53
  6.2 展望  53-54
参考文献  54-57
致谢  57-58
作者简介  58

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中图分类: > 农业科学 > 农业工程 > 农业电气化与自动化
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